Ein neu entwickelter Katalysator erleichtert das Upcycling, Recycling und den biologischen Abbau von Einwegkunststoffen

Die Forscher entwickelten einen neuen Katalysator, der Kohlenwasserstoffe in Chemikalien und Materialien umwandelt, die einen höheren Wert haben, einfacher zu recyceln sind und in der Umwelt biologisch abgebaut werden. Dieser Katalysator wandelt Materialien wie Motoröl, Kunststoffe in Einweg-Einkaufstüten, Wasser- oder Milchflaschen und deren Verschlüsse und sogar Erdgas um. Es wurde von einem Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Aaron Sadow entwickelt, einem Wissenschaftler am Ames National Laboratory, Direktor des Institute for Cooperative Upcycling of Plastic (iCOUP) und Professor für Chemie an der Iowa State University.

Der neue Katalysator soll funktionelle Gruppen in aliphatische Kohlenwasserstoffe einführen. Aliphatische Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, die nur aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen. Sie vermischen sich normalerweise nicht mit Wasser, sondern bilden stattdessen getrennte Schichten, teilweise weil sie keine funktionellen Gruppen enthalten. Funktionelle Gruppen sind spezifische Gruppierungen von Atomen innerhalb von Molekülen, die einzigartige Eigenschaften haben. Das Hinzufügen funktioneller Gruppen zu diesen Kohlenwasserstoffketten kann ihre Eigenschaften drastisch beeinflussen und die Materialien recycelbar machen.

„Methan in Erdgas ist der einfachste Kohlenwasserstoff mit nichts als Kohlenstoff-Wasserstoff (CH)-Bindungen. Öle und Polymere haben Ketten aus Kohlenstoffatomen, die durch Kohlenstoff-Kohlenstoff (CC)-Bindungen verbunden sind“, erklärte Sadow.

Aliphatische Kohlenwasserstoffe machen einen Großteil von Erdöl und raffinierten Erdölprodukten wie Kunststoffen und Motorölen aus. Diese Materialien „haben keine anderen funktionellen Gruppen, was bedeutet, dass sie nicht leicht biologisch abbaubar sind“, sagte Sadow. „Deshalb ist es seit langem ein Ziel auf dem Gebiet der Katalyse, solche Materialien zu nehmen und andere Atome wie Sauerstoff hinzuzufügen oder aus diesen einfachen Chemikalien neue Strukturen aufzubauen.“

Leider erfordert der herkömmliche Weg, Atome an Kohlenwasserstoffketten anzufügen, einen beträchtlichen Energieaufwand. Zunächst wird Erdöl mit Hitze und Druck in kleine Bausteine ​​„gecrackt“. Als nächstes werden diese Bausteine ​​verwendet, um Ketten wachsen zu lassen. Schließlich werden die gewünschten Atome am Ende der Ketten hinzugefügt. Bei diesem neuen Ansatz werden vorhandene aliphatische Kohlenwasserstoffe direkt ohne Cracken und bei niedriger Temperatur umgewandelt.

Sadows Team verwendete zuvor einen Katalysator, um die CC-Bindungen in diesen Kohlenwasserstoffketten aufzubrechen und gleichzeitig Aluminium an die Enden der kleineren Ketten zu binden. Als nächstes fügten sie Sauerstoff oder andere Atome ein, um funktionelle Gruppen einzuführen. Um einen komplementären Prozess zu entwickeln, fand das Team einen Weg, um den Schritt des Brechens der CC-Bindung zu vermeiden.

„Abhängig von der Kettenlänge des Ausgangsmaterials und den gewünschten Eigenschaften des Produkts möchten wir möglicherweise Ketten verkürzen oder einfach die sauerstofffunktionelle Gruppe hinzufügen“, sagte Sadow. „Wenn wir die CC-Spaltung vermeiden könnten, könnten wir im Prinzip einfach die Ketten vom Katalysator auf Aluminium übertragen und dann Luft hinzufügen, um die funktionelle Gruppe einzubauen.“

Sadow erklärte, dass der Katalysator synthetisiert wird, indem eine im Handel erhältliche Zirkoniumverbindung auf im Handel erhältliches Siliciumdioxid-Aluminiumoxid aufgebracht wird. Die Substanzen sind alle auf der Erde reichlich vorhanden und kostengünstig, was für potenzielle zukünftige kommerzielle Anwendungen von Vorteil ist.

Außerdem sind der Katalysator und der Reaktant im Hinblick auf Nachhaltigkeit und Kosten vorteilhaft. Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metall auf der Erde, und der verwendete Aluminiumreaktant wird synthetisiert, ohne Abfallnebenprodukte zu erzeugen. Der auf Zirkoniumalkoxid basierende Katalysatorvorläufer ist luftstabil, leicht verfügbar und wird im Reaktor aktiviert. „Im Gegensatz zu vielen frühen Organometallchemien, die extrem luftempfindlich sind, ist dieser Katalysatorvorläufer einfach zu handhaben“, sagte Sadow.

Diese Chemie ist ein Schritt in Richtung der Möglichkeit, die physikalischen Eigenschaften einer Vielzahl von Kunststoffen zu beeinflussen, z. B. sie stärker und leichter einzufärben. „Wenn wir die Katalyse weiter entwickeln, erwarten wir, dass wir immer mehr funktionelle Gruppen einbauen können, um die physikalischen Eigenschaften der Polymere zu beeinflussen“, sagte Sadow.

Sadow führte den Erfolg dieses Projekts auf den kooperativen Charakter von iCOUP zurück. Die Gruppe von Perras am Ames National Laboratory untersuchte Katalysatorstrukturen mit kernmagnetischer Resonanz (NMR)-Spektroskopie. Coates“, die Gruppen von LaPointe und Delferro von der Cornell University und dem Argonne National Laboratory untersuchten die Polymerstruktur und die physikalischen Eigenschaften. Und die Gruppe von Peters von der University of Illinois modellierte die Polymerfunktionalisierung statistisch “, sagte Sadow. „Diese Arbeit unterstreicht die Vorteile der Teamwissenschaft.“

Diese Forschung wird in der Veröffentlichung „Zirconium-Catalyzed C-H Alumination of Polyolefins, Paraffins, and Methane“ weiter diskutiert, die in veröffentlicht wurde Zeitschrift der American Chemical Society (JACS) . Die Arbeit wurde auch in vorgestellt JACS Spotlight als „Ein vielseitiges neues Werkzeug zur Herstellung von Grundchemikalien“.